陜西科技大學Corros. Sci.：以β-Y2Si2O7納米線增韌的Y2SiO5/Y2O3-Al2O3-SiO2玻璃陶瓷層/SiC層為碳/碳復合材料抗氧化涂層的新穎設計

【引言】

碳/碳復合材料是碳纖維及其織物增強的碳基體復合材料。具有低密度(<2.0g/cm³)、高強度、高比模量、高導熱性、低膨脹系數尺寸穩定性高等優點，是如今在1650℃以上應用的少數備選材料，因此被認為是最有發展前途的高溫材料之一。

盡管碳/碳復合材料有諸多優良的高溫性能, 但在溫度高于400℃的有氧環境中發生氧化反應，導致材料的性能急劇下降。因此，碳/碳復合材料在高溫有氧環境下的應用必須有氧化防護措施。目前，主要通過以下兩種途徑：一，在較低的溫度下可以采取基體改性和表面活性點的鈍化對碳/碳復合材料進行保護；二，隨著溫度的升高，必須采用涂層來隔絕碳/碳復合材料與氧的直接接觸，達到氧化防護的目的。隨著技術的不斷進步，對碳/碳復合材料超高溫性能的依賴越來越多，而在超高溫條件下唯一可行的氧化防護方案只能是涂層防護。

【成果簡介】

近日，陜西科技大學材料科學與工程學院周磊（第一作者），黃劍鋒和曹麗云教授（共同通訊作者）在Corros. Sci.發表了題為“A novel design of oxidation protective β-Y₂Si₂O₇ nanowire toughened Y₂SiO₅/Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂ glass ceramic coating for SiC coated carbon/carbon composites”的研究成果。該工作，以SiC為碳/碳復合材料的基底抗氧化保護層，再以β-Y₂Si₂O₇納米線增韌的Y₂SiO₅/Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂（Y₂SiO₅/YAS）玻璃陶瓷層包覆的新穎多層包覆體系設計，有效實現了其抗氧化涂層的優異性能。在空氣中，50個熱循環之后（室溫—1673K）之后，其質量損失僅為為36.0 g·m^-2；在1673K下保持176h，其質量損失僅為為31.7 g·m^-2。

【圖文導讀】

圖一. β-Y₂Si₂O₇和Y₂SiO₅的表征

a-c. β-Y₂Si₂O₇納米線（β-Y₂Si₂O₇ NMs）的XRD/SEM/TEM表征；

d-e. Y₂SiO₅的XRD/SEM表征。

圖二. 制備β-Y₂Si₂O₇ NMs- Y₂SiO₅/Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂（β-Y₂Si₂O₇ NMs- Y₂SiO₅/YAS）玻璃陶瓷層的步驟及不同形貌樣品照片

圖三. 樣品表面XRD分析

a. β-Y₂Si₂O₇ NMs- Y₂SiO₅包覆層XRD分析；

b. YAS包覆層XRD分析。

圖四. SEM表征及EDS分析

a. β-Y₂Si₂O₇ NMs- Y₂SiO₅的SEM表征；

b-d. β-Y₂Si₂O₇ NMs- Y₂SiO₅/YAS的SEM表征及EDS分析。

圖五. 樣品斷面表征

a-c. β-Y₂Si₂O₇ NMs- Y₂SiO₅的斷面SEM表征及EDS分析；

d. β-Y₂Si₂O₇ NMs- Y₂SiO₅/玻璃陶瓷膜的斷面SEM表征。

圖六. 包覆YAS玻璃陶瓷層和未包覆的樣品抗滑載聲發射信號曲線

圖七. 包覆YAS玻璃陶瓷層和未包覆的樣品室溫—1673K熱循環之后，質量變化曲線

圖八. 包覆YAS玻璃陶瓷層和未包覆的樣品50次室溫—1673K熱循環之后的SEM表征

圖九. 包覆YAS玻璃陶瓷層和未包覆的樣品不同次室溫—1673K熱循環之后的SEM表征

圖十. 包覆YAS玻璃陶瓷層和未包覆的樣品，在1673K下的等溫氧化曲線

圖十一. β-Y₂Si₂O₇ NMs- Y₂SiO₅/YAS玻璃陶瓷膜包覆的SiC-碳/碳復合材料表面及斷面1673K下不同氧化時間的SEM表征

a,c,e. 氧化8、32、176h后表面SEM表征；

b,d,f. 氧化8、32、176h后斷面SEM表征。

圖十二. β-Y₂Si₂O₇ NMs- Y₂SiO₅/YAS玻璃陶瓷膜包覆的SiC-碳/碳復合材料氧化機理

【小結】

這一材料的多層結構設計利用脈沖電弧放電沉積法實現。多孔的β-Y₂Si₂O₇ NMs- Y₂SiO₅使得熱應力得以釋放；外層致密的YAS玻璃陶瓷膜阻礙了氧氣的擴散和傳輸。

文獻鏈接：A novel design of oxidation protective β-Y2Si2O7 nanowire toughened Y2SiO5/Y2O3-Al2O3-SiO2 glass ceramic coating for SiC coated carbon/carbon composites（Corros. Sci., 2018 DOI: 10.1016/j.corsci.2018.02.054）

本文由材料人編輯部納米學術組Mr_PSP[彭勝攀]供稿，材料牛編輯整理。

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